市政桥梁结构设计优化研究

袁永相

江西省交通设计研究院有限责任公司 江西 南昌 330022

随着我国经济快速发展和人们生活水平不断提高，对交通出行的要求也越来越高，使我国交通建设面临着严峻的挑战。市政桥梁作为交通体系中重要的组成部分，已然受到社会各界广泛关注。市政道路桥梁项目是一项实施周期长、投资量大、综合性强、过程复杂、工程庞大的建设项目，其质量的好坏直接关系着人们的出行安全[1]。市政桥梁设计是项目实施过程中重要环节，而结构设计是市政桥梁设计中关键环节，结构设计好坏直接关系到市政桥梁的安全性，因此，做好市政桥梁结构设计显得尤为重要[2]。市政桥梁结构设计中存在许多亟待解决的问题。本文在以往研究基础上，结合市政桥梁结构设计实际情况，分析市政桥梁结构中存在的问题，并提出市政桥梁结构设计遵循的基本原则和设计优化策略，为提高我国市政桥梁结构设计水平提供参考。

1 市政桥梁结构设计存在问题

1.1 我国市政桥梁结构设计现状分析

目前我国市政桥梁结构设计水平不高，在设计过程中会遇到各式各样的问题，主要体现在以下几点：

（1）市政桥梁设计重点关注经济效益，监管不力。首先，在市政桥梁设计中，为了节约时间成本，压缩了市政桥梁设计周期，在一定程度上还降低了市政桥梁设计质量，不仅导致了市政桥梁设计人员及单位缺少创新优化设计的时间，还对其质量安全责任意识产生了不利的影响。其次，由于招投标制度还存在一定的缺陷，在市政桥梁项目招投标过程中并没有完全实现公平公开公正原则[3]。此外，在评奖过程中，更多注意的是市政桥梁项目规模，很少关注设计水平，极大影响了市政桥梁设计人员工作的积极性。

（2）市政桥梁结构设计中忽视了内在结构关联。在市政桥梁设计过程中，设计人员往往重点关注桥梁结构压力强度，很少考虑桥梁结构体系、材料质量强度以及耐久度等等，也很少从项目设计、施工以及维护等全过程方面考虑市政桥梁结构设计问题[4]。这就导致了一些市政桥梁在使用了几年后出现结构缺陷，给后续维修带来了极大的困难，也造成了不小的经济损失。

（3）市政桥梁设计理论和构造体系不完善。目前我国市政桥梁设计理论相对落后，更新速度还较慢，无法与工程项目中新材料、新技术、新工艺发展速度相匹配[5]。此外，市政桥梁结构设计首先考虑的是经济合理性和结构的安全性，因此，在市政桥梁构造体系上创新还处于尝试阶段。

1.2 市政桥梁结构设计具体细节分析

从现状分析可以看出我国市政桥梁设计水平相对落后，在实际操作过程中，市政桥梁结构设计在具体细节方面还存在许多问题，以下主要从构造设计、结构耐久性、结构疲劳损伤、结构超载以及结构抗震等方面展开分析，具体如下：

在市政桥梁结构构造设计方面，首先是伸缩缝设置问题，伸缩缝一般设计为普通橡胶支座，橡胶支座耐久性较弱，当长期受到汽车荷载时容易发生变形和损坏，降低了市政桥梁结构的耐久性和安全性[6]，如图1所示。同时，在伸缩缝位置所埋设空心梁数量不够，并且桩基主筋保护层与建筑规范不一致，这都会对市政桥梁结构构造设计产生不良的影响。此外，一般不会考虑汽车超载的情况，然而在现实中，汽车超载是一种普遍现象，并且桥面一般不会设计成一个整体的钢筋网，这都进一步降低了市政桥梁结构的安全性和耐久性。

图1 市政桥梁伸缩缝问题

在市政桥梁结构耐久性设计方面，市政桥梁设计人员侧重于结构安全计算，容易忽视市政桥梁总体构造和细节处理。市政桥梁结构耐久度受到多种因素影响，例如市政桥梁在建造和使用时，主体结构长期暴露在外部环境中，容易受到空气、水、有害化学物质的影响[7]，如图2所示。同时，市政桥梁结构不仅承受自己重力荷载，还受到不同车辆、地震、水流冲击等动荷载影响，这些因素都大大降低了市政桥梁结构的耐久性。此外，市政桥梁的拉锁问题也是结构耐久性设计中需要考虑的重点。许多市政桥梁拉锁未到使用期就需要进行更换，不仅影响市政桥梁的使用，还造成了不小的维护费用。

图2 桥梁主体结构损伤

在市政桥梁结构疲劳损伤设计方面，车辆荷载、水流冲击荷载和风荷载是市政桥梁造成结构疲劳损伤的重要因素。市政桥梁结构通常需要受到上述动荷载的影响，他们并不是一次性的，而是在市政桥梁内部形成一种循环变化的应力，这些应力对市政桥梁结构造成了持续震动。由于市政桥梁结构材料并不是均匀和连续的，受到这些持续震动影响，市政桥梁结构会产生严重的疲劳损伤，如不能及时发现仍其发展有可能造成严重的安全事故和灾难性后果[8]。结构疲劳损伤被认为是市政桥梁设计中最重要的问题之一，也是被市政桥梁设计人员容易忽视的问题。

在市政桥梁结构超载设计方面，超载是市政桥梁结构疲劳损伤的主要原因。市政桥梁结构设计中，很少考虑超载问题。一般情况下，市政桥梁结构超载分为三种。其一是由于使用时间较长导致的结构老化造成的。在这种超龄负载情况直接影响市政桥梁结构使用时间。其二是车流量严重超标。在现实情况下，一些路段车流量大，并且持续时间长，严重超过设计流量。这种情况极大影响市政桥梁结构寿命。其三是车辆违规超载，超载车辆产生超大的动力荷载，严重影响市政桥梁结构使用时间。前两种超载现象的产生其原因在于市政桥梁结构设计荷载与日益增加的交通需求量之间不匹配，后者则是因为汽车驾驶员的违规行为。市政桥梁结构超载极易造成结构疲劳问题，随着疲劳程度的不断增加和损失加剧，有可能造成严重的结构破坏事故。相比之下，后两种结构超载情况较为普遍。

在市政桥梁结构抗震设计方面，震动影响是市政桥梁结构设计中需要注意的重点之一。在市政桥梁抗震设计中，不仅需要按所在地区抗震规范要求进行设计，还需要在结构设计方面尽可能加强结构的连续性和完整性，使其成为一个整体，从而加强市政桥梁结构的抗震能力。例如，提高墩台和基础结构上的整体性，加大结构部位的配筋数量，提高市政桥梁结构的延展性等等。对于一些不良地质情况的地区，一般根据实际情况设计必要的加固措施。对于梁式桥结构设计，在墩台上方还需要设置纵横交错、联结紧密的挡块，防止落梁。此外，对于一些非常重要的市政桥梁工程，在设计时还需设计必要的减震装置，例如橡胶垫款和消能支座等。

2 市政桥梁结构设计遵循原则

现阶段市政桥梁结构设计应考虑实现桥梁模块化、精细化以及结构化[9]。桥梁结构设计方法逐步完善和精准，使市政桥梁总体结构设计更加科学。桥梁结构设计需遵循以下原则。

（1）科学性原则。市政桥梁结构设计首先要遵循科学规律。在市政桥梁设计过程中，结构设计合理性是市政桥梁实施建造的重要保障，只有对市政桥梁结构设计进行科学、合理的规划、才能保障工程质量和安全。市政桥梁结构设计人员实践过程中，必须保证是市政桥梁结构安全稳定，这也是开展结构设计优化的前提条件。因此，市政桥梁结构设计人员应首选遵循科学性原则，保证市政桥梁结构的安全稳定性符合规范要求，再按照现有科学规则进行结构设计优化。

（2）简约化原则。简约化是在保证市政桥梁整体结构安全的前提下尽量简化不必要的设计内容。在不影响市政桥梁整体质量安全的前提下，中应尽可能优化结构设计。这有利于市政桥梁工程项目实施方案制定和实施。同时，简化市政桥梁结构设计可以实现结构张力、荷载等承载力的有效传递，提升市政桥梁构件结构的强度。此外，随着市政桥梁结构简化，可以减少项目实施过程中建材用量，有助于降低市政桥梁工程项目成本。

（3）整体性原则。整体性原则是指在市政桥梁结构设计过程中考虑后续项目实施，包括施工阶段和运维阶段，以最低资源消耗实现项目目标。市政桥梁设计与施工一体化为后续施工提供了良好的基础。此外，设计人员进行市政桥梁结构设计时，应从整体上考虑结构稳定性，整体结构优化，从而提高市政桥梁结构实施可行性。这样既不回损害桥梁的整体施工质量和程序，还可以在一定程度上降低项目实施成本。

（4）综合性原则。市政桥梁结构设计中需要综合考虑建筑材料使用和结构形式。建筑原材料性能不同，形成的市政道路和桥梁结构各方面性能也不同，通过对其应用的综合考虑，可以选择更加合适的材料运用到实际工程中，从而提高市政桥梁结构的合理性。此外，应根据外部环境和实际情况，选择合适的市政桥梁结构形式，从而为提高市政桥梁整体建造质量提供保障。

3 市政桥梁结构设计优化策略

通过市政桥梁结构设计存在问题分析和遵循原则阐述，结合实际情况，从以下几个方面提出市政桥梁结构设计优化策略。

3.1 加强市政桥梁结构安全性和耐久性设计

在市政桥梁结构安全性设计方面，首先需要做好项目前期调查工作，根据项目周边环境以及设置的基本功能，选择合适的市政桥梁结构形态[10]。其次，在设计文件中明确各类材料的标准，例如混凝土、钢筋及构建型号等。然后，在形成最终设计方案前，应对各项安全评估方案进行检验。

在市政桥梁结构耐久性设计方面，应选择合适的建筑原材料。首先，水泥影响市政桥梁结构耐久性的重要材料，其对混凝土强度和稳定性具有重要影响。在市政桥梁结构耐久性设计中，应根据地区环境、温度、水文地质等实际情况选用合适的水泥材料。其次，在混凝土搅拌过程中，应结合实际情况选择合适的外添加剂，减缓混凝土材料碳化速率。最后，水灰比的控制是提高市政桥梁结构耐久性的重要途径。应根据市政桥梁项目实施要求，选择合适水灰比的混凝土。

3.2 优化市政桥梁结构疲劳损伤状态

市政桥梁长期受到车辆荷载、风荷载、水流冲击等动荷载和自身重力影响，疲劳性应力在市政桥梁内部结构不断循环和积累，最终导致了市政桥梁结构疲劳损伤，这种疲劳损伤是不可避免的，只能通过优化市政桥梁结构的疲劳状态。因此，在市政桥梁结构设计中，设计人员可以对桥梁结构材料的均匀度上做出一定的要求，最大限度的保障内部结构的稳定性。同时，由于市政桥梁结构疲劳早期难以被监测和判断，因此，无论在市政桥梁工程项目建造，还是在使用过程中都应加强对市政桥梁结构疲劳损伤监测，为设计人员优化市政桥梁结构设计方案提供准确的依据。

3.3 合理设计市政桥梁结构抗荷载能力

随着运输物流的需求增加，对运输能力要求越来越高，运输工具和运输量也随之增加，这都要求市政桥梁结构具有更高的承载力。同时，大型运输车队的通行给市政桥梁带来了极大的震动强度，给市政桥梁结构的抗震能力提出了新的要求[11]。市政桥梁设计必须重视其结构负荷承载力和稳定性。在市政桥梁结构承载力设计时，首先设计人员应在市政桥梁关键部位设置减震装置，例如粘滞阻尼器，它是利用气弹性部件降低桥梁震动动能，减小大型运输车辆对市政桥梁结构带来的疲劳损害。同时还可以设置铅芯橡胶支座，将力学性能好的支座与橡胶相结合，减小支座自身硬性撞击，从而提升市政桥梁结构的抗荷载能力。此外，在设计桥梁结构时，设计人员可以采取纵横交错的市政桥梁结构，优化桥梁连接公路的接口，以此保证桥梁结构的稳定性。

4 结语

市政桥梁结构设计是项目顺利实施和运维的重要保障。本文分析了市政桥梁结构设计中存在的问题，在总结以往研究基础上归纳了市政桥梁结构设计应遵循的基本原则，基于此，提出了市政桥梁结构设计优化策略，为我国市政桥梁结构设计水平提高提供参考。